Per què el Max Planck Institute volia preparar el plasma al seu reactor de fusió

No hi ha res com un reactor de fusió que generi emoció. Després de nou anys de construcció i 1.000 milions d'euros, els científics de l'Institut de Plasma Max Planck van disparar el primer assaig calent del dispositiu de fusió Wendelstein 7-X el 10 de desembre i van generar un plasma d'heli que va durar una desena de segon i va arribar al milió de graus centígrads. Però, encara no s’aconsegueixen bons resultats. Aquest va ser només un pas cap a la preparació del dispositiu pel seu veritable propòsit: estudiar la fusió nuclear amb el gas d'hidrogen.

Bé, ara ets bombat.

La fusió ha estat durant molt de temps el vedell d'or de la investigació de l’energia nuclear, que mostra la fissió nuclear a totes les categories excepte la viabilitat. La fusió produeix una quantitat d'energia colossal: és, després de tot, el mateix procés que alimenta el sol. Però el seu propi poder el converteix en un dolor al culat per fer front. Cada reactor de fusió construït fins ara va consumir més energia del que produïa. El rècord de fusió es va establir el 1997: 16 megavats produïts amb una potència d’entrada de 24 megawatts. Però si algú aconsegueix canviar aquesta equació … Pot dir energia barata sense carboni?

A diferència del seu cosí menys sofisticat, la fusió no produeix residus radioactius. El cicle de subministrament d'hidrogen és menys problemàtic que el cicle de subministrament d'urani. Per ser justos, les fonts més habituals d’hidrogen avui són el carbó i el gas natural, però l’hidrogen podria produir-se per electròlisi.

La fissió i la fusió són iguals en dos aspectes. Ambdós exploten la conversió d'àtoms d'un element en àtoms d'un altre element, i tots dos van ser usats per primera vegada com a armes. Fat Man i Little Boy, les bombes de fissió llançades a Hiroshima i Nagasaki el 1945, van donar pas a 1952 a dispositius de fusió com Ivy Mike. (Tot i que Ivy Mike no va ser construït com una bomba, aviat va ser seguit per obres termonuclears de moltes megatons en rendiment tot el possible per míssils intercontinentals).

La bomba de fusió va ser coneguda com una bomba H per una raó: L'alliberament d'energia sense precedents va sorgir de la fusió dels àtoms d'hidrogen. Els investigadors de la fusió busquen aprofitar aquest efecte per a la generació d’electricitat civil. Resulta que això és un repte. La fusió d’hidrogen a la superfície terrestre requeriria temperatures superiors a un milió de graus centígrads. A aquestes temperatures, l'hidrogen i l'heli es converteixen en un plasma, la quarta forma de matèria.

Però, què diables és un plasma, de totes maneres?

En resum, un plasma és un gas ionitzat. En un plasma, tots els enllaços moleculars es dissolen i els electrons deixen els seus àtoms d'acollida. Els plasma són altament conductors, ja que tenen una alta densitat de càrrega de càrrega, és a dir, els electrons i els ions són lliures de moure's independentment entre ells en resposta a un camp elèctric.

Tot i que tot això sona exòtic, els plasmes fan aparicions regulars a les nostres vides. La llum que prové dels llamps i dels signes de neó prové dels electrons que es recombinen amb ions i s'enfonsen en estats quàntics inferiors, un procés conegut com a emissió espontània. Algunes flames són prou calentes com per ionitzar els gasos d’escapament, i les torxes de plasma, pantalles de plasma i soldadors d’arc utilitzen tots els plasmes.

Però tots els que no tenen res sobre el plasma en un reactor de fusió. Amb un milió de graus centígrads, els àtoms de la sopa de fusió són extremadament energètics. Si no estan inclosos, es retiraran, faran malbé l'aparell i no es fonen entre ells. Sense contenció, probablement no arribareu al milió de graus.

La contenció és el gran repte en la investigació sobre fusió. El plasma s'ha de mantenir en un espai tancat i no ha de tocar les parets del recipient de fusió. No cal dir que el vaixell s'ha de mantenir al buit alt. Wendelstein 7-X utilitza 65 bombes de buit per mantenir la pressió a 0.000000001 millibars. (Això és 0,000001 Pascals per als amants del SI.) L'únic mitjà realista per limitar un gas ionitzat a temperatures inferiors és mantenir-lo en un camp magnètic. I aquí és on les coses es posen realment complicades.

Durant anys, el disseny més popular del reactor de fusió era el tokamak. En anys abans que els superordinadors juguessin a escacs, els humans es poguessin escombrar a Jeopardy i les proteïnes plegades, els científics havien creat maneres hàbils de produir el camp magnètic correctament format. En un tokamak, un corrent elèctric que travessa el plasma es parella amb electroimants externs per crear el camp magnètic necessari.

No és així a Wendelstein 7-X. Aquí, el camp de contenció prové completament d’electronsos superconductors externs. L’equip d’investigador va utilitzar un superordenador per optimitzar la forma d’aquests imants i eliminar la necessitat d’un corrent de plasma. Aquest estil de reactor de fusió es coneix com a estelarador.

Fins ara, ningú no ha construït un reactor de fusió que genera més energia del que consumeix. Fins i tot Wendelstein 7-X, el més gran reactor de tipus estel·lar del món, va ser construït amb finalitats de recerca, per no generar energia. Però si voleu invertir les vostres esperances en un projecte de fusió, Wendelstein 7-X és un bon lloc per començar. Assegureu-vos que també esteu atents a ITER, que serà el tokamak més gran del món.